周报丨离子量子比特首次实现长距离纠缠；美欧日加联手发展量子产业

光子盒研究院出品

本周头条

研究人员首次实现两个离子的长距离纠缠

在众多量子信息应用的候选平台中，俘获离子量子比特很有前途，因为其具有长的相干时间和多量子比特操作的潜力。然而，单单这些性质还不足以满足某些量子应用：例如，要建立量子通信网络，就需要量子比特脆弱的量子态能在长距离上分享。对于俘获离子系统，这种能力的证明一直是缺乏的。现在，由奥地利量子光学和量子信息研究所的Benjamin Lanyon和奥地利因斯布鲁克大学的Tracy Northup领导的一个团队，通过纠缠位于不同建筑物中的两个俘获离子量子比特，解决了这一不足。

Lanyon、Northup和他的同事在光腔中使用了俘获离子量子比特。对于每个量子比特，他们使用双波长激光激发离子，促使离子发射单个光子。光子的偏振取决于离子吸收了两种激光波长中的哪一种，从而使光子与离子的最终状态纠缠在一起。

为了纠缠这两个离子，研究小组随后将光子从一个离子通过510米的光纤传输到另一个离子附近的分束器，在那里两个光子相互作用。当研究人员随后检测到一对具有特定个体偏振的光子时，他们声称成功实现了纠缠。与以前的俘获离子实验不同，他们使用独立的控制系统操纵两个量子比特，表明他们可以克服影响现实世界应用的时间、频率和相位稳定的挑战。

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美加日欧四大量子联盟成立国际理事会，促进和发展全球量子产业

近日，加拿大量子产业（QIC）、量子经济发展联盟（QED-C）、量子战略产业革命联盟（Q-STAR）和欧洲量子产业联盟（QuIC）签署了一份谅解备忘录（MoU），正式成立国际量子产业协会理事会。该理事会旨在加强参与联盟之间关于量子技术发展目标和方法的沟通与合作。

Q-STAR董事会主席Taro Shimada说，新兴的量子技术利用量子物理的基本特性来超越传统的经典“系统”的能力。量子技术有望彻底改变健康、出行、物流、金融、气候科学、环境可持续性，能源和安全通信领域。

一年多来，这些联盟一直在举行非正式会议，并于2022年4月14日发布了世界量子日联合声明，目标是寻找新的合作方式，推动更大的量子生态系统。

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三家公司被DARPA选中，探索可行的容错量子计算机的新方法

美国国防高级研究计划局(DARPA)选择了三家行业公司参与未开发的实用规模量子计算系统(US2QC)项目——微软、Atom Computing和PsiQuantum。US2QC试图确定一种未充分探索的量子计算方法是否能够实现实用规模的运行——这意味着它们的计算价值超过其成本——比传统预测快得多。

在US2QC初始阶段，上述三家公司将各自展示一个设计概念，描述他们创建实用规模量子计算机的计划。这一设计理念将指导更严格的系统设计，重点关注所有组件和子系统，这些组件和子系统一旦构建和测试，将表明公用事业规模的量子计算机可以按预期建造和运行。

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量子初创公司Q-CTRL再融资2740万美元

Q-CTRL是一家澳大利亚量子传感和量子计算公司，继2021年11月完成2500万美元的B轮融资后，现在宣布又筹集了2740万美元的资金。

Q-CTRL没有提供估值信息，但表示将利用所得款项继续开发其量子技术，并专注于其产品工程、销售和营销能力。计划今年在悉尼、洛杉矶和柏林的办公室将团队人数从80人增加到120人左右。

投资人Salesforce Ventures董事总经理Robert Keith表示：“Q-CTRL的产品对于企业采用量子计算至关重要，它使用AI提供其他人无法跨硬件平台复制的关键见解。”

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谷歌的新算法可以模拟复杂的大型量子系统

迄今为止，较大的量子系统无法进行准确的机器学习(ML)，因为它们无法唯一地划分为独立的小型计算包。而现在，来自卢森堡大学、柏林工业大学学习与数据基础研究所(BIFOLD)和谷歌的国际科学家团队已成功开发出一种机器学习算法来处理大型复杂的量子系统。

全局力场能够捕获分子系统中许多原子的集体相互作用，目前使用机器学习方法只能扩展到几十个原子，因为模型复杂性随着手头系统的大小而显著增加。该团队通过开发一种算法来解决这一挑战，该算法可以在不忽略复杂相关性的情况下为多达数百个原子的系统训练全局力场。

科学家们已经成功地在具有挑战性的长时间尺度上对超分子复合物进行了动力学模拟。类似的模拟在制药行业中经常进行，以确定具有特定特性的化合物作为潜在的新候选药物。

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战略政策

IT部长：量子计算将成为印度科技发展的核心

印度电子和IT国务部长Rajeev Chandrasekhar表示，量子计算将成为印度科技增长和扩张的中心，总理莫迪的愿景是与世界各地的合作伙伴和参与者一起创建一个以印度为中心的科技生态系统。

在浦那C-DAC举行的为期两天的量子计算生态系统研讨会上，Chandrasekhar说，“我们正在与初创公司、研发实验室和高等教育机构一起合作，构建一个创新生态系统。量子计算将是印度科技发展和扩张的核心。”

他表示：“我们建立一个由创新、创业公司、研究实验室、高等学术机构、国内公司、外国公司和外国学者组成的完整量子生态系统，以创建一个以印度为中心的量子生态系统。”

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SandboxAQ获得美国空军量子导航研究合同

人工智能和量子(AQ)公司SandboxAQ宣布获得了美国空军的一份直接进入第二阶段的小型企业创新研究(SBIR)合同，用于研究量子导航技术。该公司的量子传感器原型将通过各种已确定的创新领域与美国空军客户密切协调进行优化，包括空军飞机上的现场演示。

SandboxAQ公共部门总裁Jen Sovada表示：“SandboxAQ团队非常高兴能够与美国空军合作推进这项前沿导航研究。AQ驱动的导航技术有很大的潜力成为一个全面和灵活的有保证的定位、导航和定时解决方案的一部分，这个解决方案涵盖所有领域和军种，以及联邦航空管理局和美国国家航空航天局。它还在商业领域为商业航空、无人驾驶汽车和物流等领域提供巨大的双重用途前景。我们期待分享这一激动人心的进步成果。”

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印度和美国加强战略合作，包括人工智能和量子计算

近日，印度和美国的国家安全顾问领导了美印关键和新兴技术倡议（iCET）的首次会议。iCET是2022年5月公布的，其目标是提升和扩大两国之间的战略技术伙伴关系和国防工业伙伴关系。

该合作伙伴关系主要侧重于人工智能、量子计算、国防设备和喷气发动机等机械、海上安全和侦察、电信技术和半导体供应链等。

该伙伴关系将为两国带来更多的基础设施和技术就业机会。为了缓解世界对中国日益增长的半导体市场的依赖，两国已同意在印度开发半导体设计、制造和制造生态系统。

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芝加哥大学研究员获得NSF资助，用于制造先进量子材料

量子计算机有能力处理复杂的计算并运行在经典系统上无法实现的模拟，但科学家和工程师仍在努力解决退相干问题。一种潜在的解决方案是利用拓扑材料创建量子计算机，这些材料通过其独特的分子和电子结构抵抗退相干。

但这些材料仍然难以在纳米尺度上进行工程和加工。为了找到一种最终可以扩大规模的更好工艺，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）助理教授杨硕龙和他的团队希望证明他们的新技术有效，并最终帮助开创量子制造的新时代。他们的工作由美国国家科学基金会(NSF)的新拨款资助。

杨硕龙提到：“关于这些材料平台还有很多有趣的问题。我们希望将这种材料研究带入下一阶段，使我们能够回答其中一些物理问题并建立有意义的量子结构”。

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两名芝加哥量子交易所研究人员新晋AAAS院士

芝加哥大学的Philippe Guyot-Sionnest和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的James Eckstein因其在科学或社会上为推进科学及其应用所做的杰出贡献而受到表彰，入选了美国艺术与科学院(AAAS)院士。

James Eckstein是UIUC的凝聚态物理学教授，他是开发用于研究铜氧化物超导体和氧化物磁性材料基本特性的高质量氧化物薄膜技术的先驱者之一。他开发的原子逐层分子束外延(MBE)使得对氧化物薄膜的研究达到了新的精度和复杂程度。

芝加哥大学物理和化学系联合任命的教授Philippe Guyot-Sionnest探讨了纳米粒子及其光学特性，包括壳层量子点、带内量子点光谱，以及赋予量子点膜欧姆导电性的电子掺杂和配体交换策略。

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量子计算与模拟

量子计算公司Rigetti收到纳斯达克的退市通知

Rigetti Computing是量子计算领域历史最悠久、曾经最有前途的公司之一，上周收到了纳斯达克的退市通知，原因是该公司股票在过去30天未能维持在1美元以上的收盘价。

纳斯达克上市规则5810(c)(3)(A)规定了180个日历日的合规期，即2023年7月24日前重新合规。如果在这180天内的任何时候，公司普通股的收盘价至少连续十个工作日不低于1.00美元，公司将重新合规。

Rigetti的新总裁兼首席执行官Subodh Kulkarni表示，很快公布一个84量子比特系统，他说该系统将实现98%的保真度，公司将继续专注于保真度的系统改进（从98%到99%），然后有望在明年初达到99.5%左右。

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新型模拟量子计算机可以解决超级计算机无法解决的物理问题

美国斯坦福大学和爱尔兰都柏林大学(UCD)的科学家合作发表在《自然物理学》上的新研究表明，一种新型高度专业化的模拟计算机，其电路具有量子组件，可以从前沿解决问题以前遥不可及的量子物理学。

为了使用他们的新量子模拟器平台展示模拟量子计算的能力，研究人员首先研究了一个简单的电路，该电路包含两个耦合在一起的量子组件。

这个设备模拟了两个原子通过特殊的量子相互作用耦合在一起的模型。通过调整电压，研究人员能够产生一种新的物质状态，其中电子只有其通常电荷的1/3。这些难以捉摸的状态已被提议作为未来拓扑量子计算的基础，但以前从未在电子设备的实验室中创建过。

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量子通信与安全

诺贝尔奖得主的实验实现了费米实验室主导的量子网络

2022年诺贝尔物理学奖被授予阿兰-阿斯佩、约翰-克劳瑟和安东-塞林格。这个著名的奖项认可了量子物理学的科学成就，因为他们三位进行了纠缠光子的实验，确立了对贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学。现在，塞林格所做的实验为费米实验室领导的伊利诺伊州量子网络（IEQNET）背后的技术发展做出了贡献。

IEQNET是一个城域规模的量子网络测试平台，使用部署的光纤和其他现有技术。IEQNET使用前沿量子和经典技术的组合来传输量子信息。研究人员还将其设计为与经典网络共存。

具体而言，塞林格最早展示了纠缠交换，即两个从未相互接触的独立光子的纠缠。这种类型的纠缠对于开发量子中继器至关重要，量子中继器是实现尚不可行的长距离量子通信的关键技术。IEQNET目前是一个无中继器网络；展示纠缠交换是合作的下一个目标。

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Kyber Drive：世界上第一个基于格的抗量子磁盘加密解决方案

American Binary宣布推出世界上第一个基于格的抗量子静态加密解决方案Kyber Drive。专注于向抗量子加密过渡的公司和政府已经在采用CRYSTALS-Kyber (Kyber)作为RSA和其他经典加密密码的通用替代方案。Kyber是一种抗量子密钥封装机制(KEM)，作为量子时代加密的未来在全球范围内被标准化。

然而，Kyber只能用于传输中加密。为了解决这个问题，American Binary的团队引入了一种算法，使Kyber表现像分组密码，同时保留Kyber预期的所有现有安全证明/保证(IND-CCA2安全)。他们称此解决方案为Kyber Drive。

Kyber Drive允许Kyber支持文件存储和磁盘加密。目前这一解决方案仅支持有限的文件大小用例。American Binary团队的目标是在年底前将Kyber Drive扩展到所有用例。Kyber Drive旨在成为磁盘和文件加密、云存储等领域的卓越解决方案。

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Cybertrust Japan将量子计算强化私钥集成到新的物联网认证平台中

全球领先的综合量子计算公司Quantinuum宣布，日本领先的证书颁发机构Cybertrust Japan Co., Ltd.已将其Quantum Origin量子计算强化私钥集成到一个用于物联网设备的新证书颁发和分发平台，以确保现在和未来的安全通信。

Cybertrust为大量的物联网设备提供高速、高容量证书颁发和分发的新认证基础设施，包括NIST选定的抗量子密码(PQC)算法。证书颁发机构通过整合Quantinuum的Quantum Origin解决方案，进一步保护设备免受当前和未来的威胁，Quantum Origin是唯一利用量子计算机的能力生成量子计算强化密钥的加密解决方案。

Quantinuum网络安全主管Duncan Jones表示：“随着物联网设备使用的增长，所有公司必须确保他们的设备拥有最先进的保护措施，以抵御威胁其最宝贵资产和数据的日益复杂的网络攻击。”

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Made in America！Qrypt部署新的量子随机数发生器

近日，提供从传输中删除加密密钥的唯一解决方案的Qrypt宣布推出其新的美国开发、采购和托管的随机数发生器（QRNG），作为其量子熵云服务的一部分。这种量子熵既支持Qrypt的软件服务，又可以直接提供给客户，用于他们现有的基础设施，直接使用REST API或HashiCorp Vault和rngd的集成。

总部位于美国的Qrypt的新型QRNG是与能源部橡树岭国家实验室合作开发的，该实验室是世界首屈一指的研究机构，使领导者和团队能够在以卓越运营和与行业合作为特征的环境中寻求突破，特别是在量子研究方面。

橡树岭国家实验室提供实现能源和国家安全解决方案所需的科学发现和技术突破，并为国家提供经济效益。Qrypt与实验室的合作展示了Qrypt的新QRNG如何增加其云服务和产品的量子随机性。

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量子传感

AFRL研究人员利用冷量子和其他新兴技术进行先进的定位、导航和计时

美国空军研究实验室（AFRL）的原子物理学家正在为美国太空部队和更大的军队进行下一代量子原子钟、量子传感器和组件技术的研发。这项工作对于创造更好的时钟、高性能传感器和相关技术是必要的，这些技术在空间领域更具弹性。

该实验室在全国范围内率先开展了许多与量子相关的突破性研究工作，将量子研发分为四个领域：定时、传感、计算和网络。“定时和传感是短期内最有前途的领域。”

在传感方面，AFRL正在开发捕获原子或冷原子传感器，其目标是增加可变动态范围。关于下一代原子钟技术的努力，AFRL正在寻求对现有天基授时能力的显著改进，这些能力作为全球导航卫星系统和全球定位系统（GPS）的一部分至关重要。与经典传感器相比，从量子设备中获得的优势是，你可以获得动态范围，这意味着你可以用同一个传感器将非常非常小的物体感应的灵敏度调整到非常大的物体，而不需要使用多个不同的传感器。

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南京大学马小松祝世宁团队开发了新的量子成像协议

一个典型的成像场景需要三个基本要素：(1)一个发射光的光源，它反过来与感兴趣的物体相互作用并散射；(2)检测从物体散射的光以及(3)具有空间分辨率的检测器。由于缺乏光子检测能力和相互作用引起的不可避免的损害，这些在典型成像场景中不可或缺的成分可能会限制它们在生物或其他敏感标本成像中的适用性。

在发表在npj Quantum Information的一份新报告中，南京大学物理学院马小松教授、祝世宁院士团队提出并通过实验实现了一种减轻所有三个要求的量子成像协议。他们通过将单光子迈克尔逊干涉仪嵌入到基于诱导相干的非线性干涉仪中，以及利用单像素成像技术，演示了利用未检测到的光子对结构物体进行无交互的单像素量子成像。

因此，研究团队将量子成像的能力推向了极致，在这种情况下，物体和光子之间不需要相互作用，并且检测要求大大降低。这项工作为在硅可检测波长下用单像素成像表征精细样品的应用铺平了道路。

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核心器件

研究发现，1/f通量噪声是量子比特相干性限制的主要来源

麻省理工学院领导的一组研究人员报告说，他们开始更好地理解超导量子处理器发展过程中的一个重大障碍。具体来说，研究人员表示，他们更接近了解超导电路中1/f磁通量噪声的潜在机制，消除1/f通量噪声源对量子硬件设计有影响。

该团队将弱平面内磁场应用于电容分流通量量子比特，这揭示了以前未探索的趋势，有助于为超导电路中1/f通量噪声的完整微观理论提供信息。具体而言，该研究揭示了10 Hz以下噪声频谱和1 MHz以上噪声抑制的明显1/f到近似洛伦兹跃迁。

据研究人员称，1/f通量噪声是超导量子比特中量子比特相干性限制的主要来源，这限制了扩展到更大设备和使用不同量子比特架构的能力。

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世界上首台芯片级掺钛蓝宝石激光器在耶鲁大学研制成功

耶鲁大学教授Hong Tang领导的一组研究人员开发出了第一款芯片级掺钛蓝宝石激光器——这项创新可能会带来原子钟、量子计算和光谱传感器等新应用。

台式钛蓝宝石激光器是许多学术和工业实验室的必备设备。但是这些激光器价格昂贵且占用大量空间，在很大程度上限制了它们在实验室研究中的使用。若不克服这个限制，钛蓝宝石激光器将仍然仅限于小众客户。

为此，团队展示了世界上第一个集成了芯片级光子电路的掺钛蓝宝石激光器，它提供了迄今为止在芯片上看到的最宽的增益光谱——为众多新应用铺平了道路。钛蓝宝石激光器的性能与芯片的小尺寸相结合，可以推动受其消耗的功率或空间限制的应用，例如原子钟、便携式传感器、可见光通信设备，甚至量子计算芯片。

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基础研究

科学家提出了一种控制光的量子特性的新方法

剑桥大学领导的国际团队开发了一种理论，该理论描述了一种新的光状态，这种光在很宽的频率范围内具有可控的量子特性，最高可达X射线频率。

所谓的量子涨落开始在微纳米尺度上运行，经典物理学无法描述它们。团队通过建立强驱动多体系统的量子光学理论克服了这一限制。通过这一点，他们表明发射器之间相关性的存在会产生非经典的多光子态光的发射。

剑桥大学卡文迪什实验室的Andrea Pizzi博士表示：“量子涨落使量子光更难研究，但也更有趣：如果设计得当，量子涨落可以成为一种资源。控制量子光的状态可以实现新的显微镜和量子计算技术。”

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研究人员在实验室中创造了第一个“量子算盘”

你想知道一个非常大的整数是否是一个质数？或者它是否是一个“幸运数字”？意大利国际高等研究院SISSA与的里雅斯特大学和圣安德鲁斯大学合作进行的一项新研究提出了一种创新方法，可以使用某种“量子算盘”通过物理学帮助回答此类问题。通过结合理论和实验工作，科学家能够使用全息激光技术再现具有与前15个质数和前10个幸运数字对应的能级的量子势。这项发表在PNAS Nexus上的成果，为获得以有限的整数序列作为任意量子能量的势，以及用量子力学实验解决与数论有关的数学问题打开了大门。

的雅斯特大学物理学家Andrea Trombettoni说：“我们的工作显示了这种方法的可行性，并为通过量子力学实验探索真正的数学问题和算术操作铺平了道路。”所使用的方法及其可能的推广也可能带来在量子技术领域的新应用。事实上，它为一类新的设备提供了可能的基本组成部分，包括与量子技术相关的新算法，特别是量子计算可以被设计和测试。

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普林斯顿大学研究人员揭示超冷分子的微观量子相关性

物理学家越来越多地使用超冷分子来研究物质的量子态。许多研究人员认为，分子相比其他粒子具有优势，例如捕获离子、原子或光子。这些优势表明，分子系统将在新兴量子技术中发挥重要作用。但是，一段时间以来，对分子系统的研究只取得了进展，因为在量子体系中制备、控制和观察分子的长期挑战。

现在，正如本周发表在《自然》杂志上的一项研究所记录的那样，普林斯顿大学的研究人员通过显微镜研究分子气体取得了重大突破，其水平是以前的研究从未达到过的。该团队能够将分子冷却到超冷的温度，将它们加载到称为光学晶格的人造光晶体中，并以高空间分辨率研究它们的集体量子行为，以便可以观察到每个单独的分子。

作者说，“我们以明确的内部和运动量子态制备了气体中的分子。分子之间的强烈相互作用产生了微妙的量子相关性，这是我们第一次检测到。”这项研究可能加速大规模量子计算机系统的发展。尽管到目前为止还没有单一类型的量子比特成为领跑者，但该团队认为，分子系统虽然比其他平台探索得更少，但具有特别的前景。

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北大、清华为量子多体系统关联的探测提供新方法

近日，北京大学电子学院陈徐宗教授团队与清华大学胡嘉仲副教授团队合作，利用清华大学翟荟教授等人提出的新型动力学线性响应理论，在冷原子光晶格体系中观测到不同量子物态之间不同的准粒子行为，为探测量子多体系统的平衡态关联提供了新思路和新方法。

该团队运用改良的能带映射方法，精准地测量出体系的准动量分布。在此基础上，该团队以不同的速率改变光晶格的势能深度，观测到准粒子动量分布的相应变化。该实验正是凭借这些优势，验证了非绝热线性响应理论。这样一种冷原子系统，在不同光晶格深度下会表现出玻色超流、玻色莫特绝缘态和量子相变临界状态等不同的量子状态。利用这一特点，该实验标定了这个系统中不同物态之间不同的准粒子行为。

北京大学电子学院博士研究生梁力搏、中国科学技术大学研究员郑炜和清华大学毕业生姚睿骁（现麻省理工学院博士研究生）为共同第一作者，陈徐宗、清华大学陈文兰副教授、翟荟和胡嘉仲为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市卓越青年科学家计划和科学探索奖的支持。

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